水面光伏电站电池板清洗系统关键技术研究

中国三峡新能源（集团）股份有限公司 贝耀平 中国三峡新能源（集团）股份有限公司安徽分公司 程大利 阮少波

河海大学 肖 坚

光伏发电作为可再生清洁能源获取的重要手段，近年来发展的规模越来越大，并将继续高速发展。BP 的 Energy Outlook 2020 Edition 报道显示，世界范围内，被人类利用的太阳能，将从2018年的约5EJ（艾焦耳，1EJ=1018J）增长到2050年的110～150EJ[1]。截至2020年9月底，我国太阳能光伏电站已累计装机2.23亿kW[2]。太阳能光伏发电行业发展过程中，需要不断解决技术问题。其中，太阳能光伏电池板积尘清洁问题就是为提高光伏发电效率而需要解决的技术难题之一。

1 光伏电池板清洁技术现状

光伏电板表面积尘对其能量转换效率影响很大。伊拉克西北科技大学Omer Khalil Ahmed 和Zala Aziz Mohammed 的研究表明，当光伏板外表面存在某个强度的积尘时，光伏板的热效率降低了13.4%，光电转换效率从光伏板清洁时的10.24%下降到5.67%。覆盖积尘后的光伏板总效率比清洁状态下的总效率降低了17.5%[3]。研究还表明，灰尘积聚高度集中在光伏组件的底部，具有很高的热点风险，最终可能导致永久性组件损坏[4]。

显然，为提高发电效率，缩短投资回报周期，对光伏电池板进行例行清洁工作非常必要。目前常用的光伏电池板清洁技术有：纳米自清洁薄膜、电除尘技术和机械除尘技术。其中，机械除尘技术又包括机器人清洗和水射流清洗技术[5]。不同研究者的研究结论表明，干式清洁（如尼龙刷旋转刷尘、压缩空气吹尘加真空吸尘）的清洁效果不如用水和精致的雨刷，也不如水射流技术的清洁效果好。

2 水面光伏电站电池板清洗系统关键技术

中国三峡新能源有限公司华东分公司峡潘光伏电站位于安徽淮南煤矿塌陷区水面，总装机容量150MW，年发电约1.65亿度。本研究以该电站的两个100m×50m 方阵为实验方阵，在其中一个方阵中安装水面光伏电站电池板清洗系统，另一个不做任何改变作为对比方阵。被清洗光伏板除积尘外还应考虑鸟类粪便的清洗。

研究现场限定条件：喷淋清洗机需要满足的条件是：用电负载＜3kW，喷射距离≥12m，喷头的旋转角度可控，能防止水中水草等杂物阻塞进水通道，启动时的反扭矩和工作时的反冲力对现有光伏电池板安装基础——浮筒无实质性影响。

2.1 喷淋清洗机构成

喷淋清洗机由潜水泵、喷头、喷头电机、管道等组成。

首先选择满足喷射距离≥12m 的常规灌溉喷头，再根据喷头的工作压力和流量参数选择潜水电泵。由于喷射距离≥12m 的喷头有不同的流量规格和工作压力要求，所以要求的潜水电泵功率也不同。为满足单台水泵最大功率＜3kW 的条件，选择额定扬程H=55m、额定流量Q=3m3/h、额定功率P=1.5kW 的潜水电泵。该泵属于离心泵，根据离心泵的基本性能曲线，当水泵运行的实际扬程小于额定扬程时，水泵的流量会比额定流量加大，输入功率也会略有增加。这样既有利于光伏电池板的除尘清洁效果，又不会超过电力负载3kW。

由于本系统中的喷淋清洗机除了要满足正常情况下光伏电池板例行清洗时喷头要旋转外，还需满足光伏电池板起火情况下喷头能定向喷水灭火的要求，所以不能直接使用常规灌溉喷头，必须进行创新改造。在常规喷头的可旋转嘴部固定与旋转轴同轴的从动齿轮，然后在喷头的不动部分固定微型永磁同步电机（简称喷头电机），电机轴上连接有主动齿轮。主动齿轮与从动齿轮啮合，当控制电路给喷头电机供电时，电机轴旋转带动喷头旋转；控制电路不给喷头电机供电时，喷头就会固定在某个方向。这个方案实现了喷淋清洗机既可常规清洗光伏电池板，又可作为消防设施定向喷水。

为防止水中杂草或其他杂物吸附在潜水泵进口而影响水泵进水，需要在水泵原有过滤网的外围再增加一道滤网。该滤网的直径比潜水泵原有进口滤网直径大一倍以上，配合日常维护中的例行检查和清除，这一措施可有效防止潜水泵性能下降产生的清洗效果变差的问题。

2.2 现场控制影响因子

第一，降雨。当降雨强度达到一定数值时，对应的清洗周期内就不需要启动喷淋清洗机。第二，风力。当风力达到某个级别时，喷淋清洗在风向角度的反向侧就会由于喷水距离达不到设计距离而影响清洗效果，需要在风力小的时候喷淋清洗。第三，气温。当气温低于0℃时，由于喷到电池板上的水会因结冰可能带来电池板的损坏，此时不宜喷淋清洗。第四，空气质量。当空气质量优良，通过判断积尘较少并对发电影响较小时，在对应的清洗周期内就不需要启动喷淋清洗机。第五，清洗时间。为不影响白天的发电，对太阳能电池板的清洗工作应在夜间进行。第六，工作模式。受箱式变压器容量的限制，同时工作的水泵数量会受到限制，为实现全场电池板的全部清洗，就必须采用轮喷的工作模式。综上，喷淋现场安装一体化水文气象监测传感器和数据终端提供现场环境数据，PLC 与其通信后获得温度、风力、风向、降雨、PM10、PM2.5的具体数据，根据清洗控制需求和环境条件的关系，PLC 在合适的时间段向喷淋清洗机发出启动或停止命令，同时对喷头电机发出转动或停止转动的控制信号，电源控制电路将执行PLC 的控制指令。

为满足远程测控的需求，PLC 需要与移动数据终端设备连接。本系统采用的是4GDTU，内置4G移动通信芯片。DTU 一方面与PLC 通信，另一方面与部署在云上的服务器应用通信，可实现与远程计算机测控系统的数据传输和控制指令交互。

3 远程测控

为对现场大面积光伏板清洗进行有效管理，需要通过远程上位机的光伏面板清洗管理系统。该系统需要对每时的气象数据进行采集统计，对每台清洗机工作的起止时间进行记录，对现场故障情况弹出声光报警，提示工作人员进行维修。同时通过与发电管理系统通信，可以判断哪些光伏板的清洗效果不佳，可以人工远程对局部光伏板进行强化清洗。当通过视频系统或发电系统发现电站火灾时，可远程控制若干个火点附近的喷淋清洗机向火点集中喷水灭火。光伏面板清洗管理系统与现场PLC 的通信是通过云服务器来实现的。

4 清洗效果分析

水面喷淋除尘清洗实验在峡潘光伏电站选定A 标A12方阵展开，该方阵面积160m×22m，从01H02NB 号到02H02NB 汇流逆变箱，安装10台喷淋机，布局如图1所示。

图1 喷淋机布局图

其中，选定从01H03NB、01H04NB、01H05NB、02H01NB 到 汇 流 箱， 对 照 组 从06H01NB、06H02NB、06H03NB、06H04NB 到汇流箱，所选实验组和对照组位置临近，在默认条件下可以认为被清洗及未被清洗的相邻区域相同面积/相同功率的太阳能光伏组件在同一时段的日照条件是一致的。从已有的实验数据看，喷淋除尘已取得一定效果，见表1、表2。

表1 A12方阵2021年度喷淋数据记录

表2 2021年全年试验区水文气象与大气质量与喷淋组发电量增加表

由表2中可以看出：第一，空气质量差污染严重且降雨量较少的1月、2月、11月、12月四个月，喷淋组发电量较对比组增加明显，其中12月高达13.61%，增加最少的2月也达到了6.67%；第二，空气质量较差污染严重但降雨量偏大的3月、10月两个月，喷淋组发电量较对比组增加较少，都没超过2%；第三，空气质量较好或/且降雨量偏大的4～9月，喷淋组发电量较对比组增加较少，其中最多的4月为2.78%，最少的7月也有1.17%的发电量增加。因此，可以初步得出如下结论。

第一，扬尘较大的季节天气，喷淋清洗效果好。第二，喷淋设备在低温环境下工作正常，符合设计要求。第三，在自然降雨较多的天气，光伏组件灰尘少，自动喷淋清洗发电量增幅不大，但仍有一定优势。第四，人工清洗和自动喷淋清洗比对，自动喷淋组发电量大于人工清洗。

喷淋组发电量相较对比组发电量的提升和大气污染呈正相关，和降雨呈负相关，符合自动清洗灰尘、提高发电量的初衷。

水面光伏电站的光伏面板在清洁方面有其有利条件，那就是水源丰富获取方便，利用这一优势，开发水射流清洁光伏面板的综合应用系统是解决积尘问题的有效方法。通过初步实验，这一系统在清洗有效性、提高光伏发电效率和容量、帮助消防灭火、降低清洁成本等方面，具有比其他方法更明显的作用，可在不断试验逐步完善后推广使用。